一文詳解：工業(yè)機器人結構、驅動(dòng)及技術(shù)

一、常用運動(dòng)學(xué)構形

1、笛卡爾操作臂

優(yōu)點(diǎn)：很容易通過(guò)計算機控制實(shí)現，容易達到高精度。缺點(diǎn)：妨礙工作, 且占地面積大, 運動(dòng)速度低, 密封性不好。

①焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類(lèi)、裝配、貼標、噴碼、打碼、(軟仿型)噴涂、目標跟隨、排爆等一系列工作。

②特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著(zhù)十分重要的作用。

2、鉸鏈型操作臂(關(guān)節型)

關(guān)節的關(guān)節全都是旋轉的， 類(lèi)似于人的手臂,工業(yè)機器人中最常見(jiàn)的結構。它的工作范圍較為復雜。

①汽車(chē)零配件、模具、鈑金件、塑料制品、運動(dòng)器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速檢測及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

②車(chē)身裝配、通用機械裝配等制造質(zhì)量控制等的三坐標測量及誤差檢測。

③古董、藝術(shù)品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。

④汽車(chē)整車(chē)現場(chǎng)測量和檢測。

⑤人體形狀測量、骨骼等醫療器材制作、人體外形制作、醫學(xué)整容等。

3、SCARA操作臂

SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 最顯著(zhù)的特點(diǎn)是它們在x-y平面上的運動(dòng)具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應用。

①大量用于裝配印刷電路板和電子零部件

②搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等

③廣泛應用于塑料工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域.

④搬取零件和裝配工作。

4、球面坐標型操作臂

特點(diǎn)：中心支架附近的工作范圍大,兩個(gè)轉動(dòng)驅動(dòng)裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜, 難于控制,且直線(xiàn)驅動(dòng)裝置存在密封的問(wèn)題。

5、圓柱面坐標型操作臂

優(yōu)點(diǎn)：且計算簡(jiǎn)單;直線(xiàn)部分可采用液壓驅動(dòng),可輸出較大的動(dòng)力; 能夠伸入型腔式機器內部。 缺點(diǎn)：它的手臂可以到達的空間受到限制, 不能到達近立柱或近地面的空間;

直線(xiàn)驅動(dòng)部分難以密封、防塵; 后臂工作時(shí), 手臂后端會(huì )碰到工作范圍內的其它物體。

6、冗余機構

通?？臻g定位需要6個(gè)自由度，利用附加的關(guān)節可以幫助機構避開(kāi)奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形

7、閉環(huán)結構

閉環(huán)結構可以提高機構剛度，但會(huì )減小關(guān)節運動(dòng)范圍，工作空間有一定減小。

①運動(dòng)模擬器;

②并聯(lián)機床;

③微操作機器人;

④力傳感器;

⑤生物醫學(xué)工程中的細胞操作機器人、可實(shí)現細胞的注射和分割;

⑥微外科手術(shù)機器人;

⑦大型射電天文望遠鏡的姿態(tài)調整裝置;

⑧混聯(lián)裝備等，如SMT公司的Tricept混聯(lián)機械手模塊是基于并聯(lián)機構單元的模塊化設計的成功典范。

工業(yè)機器人的幾種常用結構形式(圖)

二、機器人的主要技術(shù)參數

機器人的技術(shù)參數反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設計、應用機器人必須考慮的問(wèn)題。機器人的主要技術(shù)參數有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

1、自由度

機器人具有的獨立坐標軸運動(dòng)的數目。 機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時(shí)所需要的獨立運動(dòng)參數的數目。手指的開(kāi)、合，以及手指關(guān)節的自由度一般不包括在內。.機器人的自由度數一般等于關(guān)節數目。 機器人常用的自由度數一般不超過(guò)5～6個(gè)。

2、關(guān)節(Joint)

即運動(dòng)副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動(dòng)的機構。

3、工作空間

機器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達到的所有空間區域。其形狀取決于機器人的自由度數和各運動(dòng)關(guān)節的類(lèi)型與配置。機器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進(jìn)行表示。

4、工作速度

機器人在工作載荷條件下、勻速運動(dòng)過(guò)程中，機械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內所移動(dòng)的距離或轉動(dòng)的角度。

5、工作載荷

指機器人在工作范圍內任何位置上所能承受的最大負載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。 還和運行速度和加速度大小方向有關(guān)，一般規定高速運行時(shí)所能抓取的工件重量作為承載能力指標。

6、分辨率

能夠實(shí)現的最小移動(dòng)距離或最小轉動(dòng)角度。

7、精度

重復性或重復定位精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，機器人連 續重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。

三、機器人常用材料

1)碳素結構鋼和合金結構鋼 這類(lèi)材料強度好，特別是合金結構鋼，其強度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料。

2)鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3.2%(重量百分比)鋰的鋁合金，彈性模量增加了14%，E/ρ比增加了16%。

3)纖維增強合金 這類(lèi)合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等，其E/ρ比分別達到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ比，但價(jià)格昂貴。

4)陶瓷 陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣品。

5)纖維增強復合材料 這類(lèi)材料具有極好的E/ρ比，而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點(diǎn)。傳統金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機器人上應用復合材料的實(shí)例越來(lái)越多。

6)粘彈性大阻尼材料 增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來(lái)增加結構件材料的阻尼，其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構件進(jìn)行約束層阻尼處理。

四、機器人主要結構

㈠、機器人驅動(dòng)裝置

概念：要使機器人運行起來(lái), 需給各個(gè)關(guān)節即每個(gè)運動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置 作用：提供機器人各部位、各關(guān)節動(dòng)作的原動(dòng)力。

驅動(dòng)系統：可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng), 或者把它們結合起來(lái)應用的綜合系統; 可以是直接驅動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動(dòng)機構進(jìn)行間接驅動(dòng)。

1、電動(dòng)驅動(dòng)裝置

電動(dòng)驅動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動(dòng)比較困難。

電動(dòng)驅動(dòng)裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅動(dòng)和步進(jìn)電機驅動(dòng)。 直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無(wú)刷直流電機也得到了越來(lái)越廣泛的應用。 步進(jìn)電機驅動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統。

電動(dòng)上電運行前要作如下檢查：

1)電源電壓是否合適(過(guò)壓很可能造成驅動(dòng)模塊的損壞); 對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯，驅動(dòng)控制器上的電機型號或電流設定值是否合適(開(kāi)始時(shí)不要太大);

2)控制信號線(xiàn)接牢靠，工業(yè)現場(chǎng)最好要考慮屏蔽問(wèn)題(如采用雙絞線(xiàn));

3)不要開(kāi)始時(shí)就把需要接的線(xiàn)全接上，只連成最基本的系統，運行良好后，再逐步連接。

4)一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

5)開(kāi)始運行的半小時(shí)內要密切觀(guān)察電機的狀態(tài)，如運動(dòng)是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現問(wèn)題立即停機調整。

2、液壓驅動(dòng)

通過(guò)高精度的缸體和活塞來(lái)完成，通過(guò)缸體和活塞桿的相對運動(dòng)實(shí)現直線(xiàn)運動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅動(dòng)的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動(dòng)具有較高的精度。

缺點(diǎn)：需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅動(dòng)目前多用于特大功率的機器人系統。

選擇適合的液壓油。 防止固體雜質(zhì)混入液壓系統，防止空氣和水入侵液壓系統 。機械作業(yè)要柔和平順機械作業(yè)應避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負荷，使機械故障頻發(fā)，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時(shí)刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，如果液壓泵出現“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能消除，應查明原因排除故障后才能使用。 保持適宜的油溫。液壓系統的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。

3、氣壓驅動(dòng)

氣壓驅動(dòng)的結構簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。 .但與液壓驅動(dòng)裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機器人。

(1)具有速度快、系統結構簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負荷的機器人中采用。但因難于實(shí)現伺服控制，多用于程序控制的機械人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。

(2)在多數情況下是用于實(shí)現兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機器人中的。

(3)控制裝置目前多數選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。

㈡、直線(xiàn)傳動(dòng)機構。

傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分，根據關(guān)節形式，常用的傳動(dòng)機構形式有直線(xiàn)傳動(dòng)和旋轉傳動(dòng)機構。

直線(xiàn)傳動(dòng)方式可用于直角坐標機器人的X、Y、Z向驅動(dòng)，圓柱坐標結構的徑向驅動(dòng)和垂直升降驅動(dòng)，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動(dòng)。

直線(xiàn)運動(dòng)可以通過(guò)齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉運動(dòng)轉換成直線(xiàn)運動(dòng)，也可以有直線(xiàn)驅動(dòng)電機驅動(dòng)，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。

1、齒輪齒條裝置

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉運動(dòng)轉換成托板的直線(xiàn)運動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：回差較大。

2、滾珠絲杠

在絲杠和螺母的螺旋槽內嵌入滾珠，并通過(guò)螺母中的導向槽使滾珠能連續循環(huán)。

優(yōu)點(diǎn)：摩擦力小，傳動(dòng)效率高，無(wú)爬行，精度高

缺點(diǎn)：制造成本高，結構復雜。

自鎖問(wèn)題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實(shí)際應用上沒(méi)有使用這個(gè)自鎖的,原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高;因為直徑與導程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類(lèi)的自鎖裝置。

㈢、旋轉傳動(dòng)機構

采用旋轉傳動(dòng)機構的目的是將電機的驅動(dòng)源輸出的較高轉速轉換成較低轉速，并獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉傳動(dòng)機構有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

1、齒輪鏈

(1)轉速關(guān)系

(2)力矩關(guān)系

2、同步皮帶

同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時(shí)相當于柔軟的齒輪。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)滑動(dòng)，柔性好，價(jià)格便宜，重復定位精度高。

缺點(diǎn)：具有一定的彈性變形。

3、諧波齒輪

諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅動(dòng)柔性齒輪旋轉。 主要特點(diǎn)：

(1)、傳動(dòng)比大，單級為50—300。

(2)、傳動(dòng)平穩，承載能力高。

(3)、傳動(dòng)效率高,可達70%—90%。

(4)、傳動(dòng)精度高,比普通齒輪傳動(dòng)高3—4倍。

(5)、回差小，可小于3’。

(6)、不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。

諧波傳動(dòng)裝置在機器人技術(shù)比較先進(jìn)的國家已得到了廣泛的應用。僅就日本來(lái)說(shuō)，機器人驅動(dòng)裝置的60%都采用了諧波傳動(dòng)。

美國送到月球上的機器人，其各個(gè)關(guān)節部位都采用諧波傳動(dòng)裝置，其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機構。

前蘇聯(lián)送入月球的移動(dòng)式機器人“登月者”，其成對安裝的8個(gè)輪子均是用密閉諧波傳動(dòng)機構單獨驅動(dòng)的。 .德國大眾汽車(chē)公司研制的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動(dòng)機構。

㈣、機器人傳感系統

1、感受系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

2、智能傳感器的使用提高了機器人的機動(dòng)性、適應性和智能化的水準。

3、智能傳感器的使用提高了機器人的機動(dòng)性、適應性和智能化的水準。

4、對于一些特殊的信息, 傳感器比人類(lèi)的感受系統更有效。

㈤、機器人位置檢測

旋轉光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉化成二進(jìn)制波形。軸的轉角通過(guò)計算脈沖數得到，轉動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號的相對相位決定。

感應同步器輸出兩個(gè)模擬信號——軸轉角的正弦信號和余弦信號。軸的轉角由這兩個(gè)信號的相對幅值計算得到。感應同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。

電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉角成正比的電壓信號。但是，由于分辨率低、線(xiàn)性不好以及對噪聲敏感。

轉速計能夠輸出與軸的轉速成正比的模擬信號。如果沒(méi)有這樣的速度傳感器，可以通過(guò)對檢測到的位置相對于時(shí)間的差分得到速度反饋信號。

㈥、機器人力檢測

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個(gè)位置：

1、安裝在關(guān)節驅動(dòng)器上?？蓽y量驅動(dòng)器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執行器與環(huán)境之間的接觸力。

2、安裝在末端執行器與操作臂的終端關(guān)節之間，可稱(chēng)腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執行器上的三個(gè)到六個(gè)力/力矩分量。

3、安裝在末端執行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺(jué)得手指內置了應變計，可以測量作用在指尖上的一個(gè)到四個(gè)分力。

㈦、機器人-環(huán)境交互系統

1、機器人-環(huán)境交互系統是實(shí)現工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統。

2、工業(yè)機器人與外部設備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個(gè)零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個(gè)零件存儲裝置等集成為一個(gè)去執行復雜任務(wù)的功能單元。

㈧、人機交互系統

人機交互系統是使操作人員參與機器人控制并與機器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。 該系統歸納起來(lái)分為兩大類(lèi): 指令給定裝置和信息顯示裝置。

五、 機器人的控制系統

1、機器人的控制系統

“控制”的目的是使被控對象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式。 .“控制”的基本條件是了解被控對象的特性。 “實(shí)質(zhì)”是對驅動(dòng)器輸出力矩的控制。

2、機器人示教原理

機器人的基本工作原理是示教再現;示教也稱(chēng)導引，即由用戶(hù)導引機器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機器人在導引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運動(dòng)參數/工藝參數等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續執行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作;

3、機器人控制的分類(lèi) ：

1)按照有無(wú)反饋分為：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制;

開(kāi)環(huán)精確控制的條件：精確地知道被控對象的模型，并且這一模型在控制過(guò)程中保持不變。

2)按照期望控制量分為：位置控制，力控制，混合控制 ;

位置控制分為：?jiǎn)侮P(guān)節位置控制(位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋)、多關(guān)節位置控制、多關(guān)節位置控制分為分解運動(dòng)控、集中控制;力控制分為：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制 ;

3)智能化的控制方式 ：模糊控制、自適應控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制 、專(zhuān)家控制以及其他;

4、控制系統硬件配置及結構：

由于機器人的控制過(guò)程中涉及大量的坐標變換和插補運算以及較低層的實(shí)時(shí)控制，所以，目前的機器人控制系統在結構上大多數采用分層結構的微型計算機控制系統，通常采用的是兩級計算機伺服控制系統。

1)具體流程：

主控計算機接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運動(dòng)參數。

然后進(jìn)行運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和插補運算，最后得出機器人各個(gè)關(guān)節的協(xié)調運動(dòng)參數。這些參數經(jīng)過(guò)通信線(xiàn)路輸出到伺服控制級，作為各個(gè)關(guān)節伺服控制系統的給定信號。關(guān)節驅動(dòng)器將此信號D/A轉換后驅動(dòng)各個(gè)關(guān)節產(chǎn)生協(xié)調運動(dòng)。 傳感器將各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)輸出信號反饋回伺服控制級計算機形成局部閉環(huán)控制，從而更加精確的控制機器人手部在空間的運動(dòng)。

2)基于PLC的運動(dòng)控制 兩種控制方式：

1、利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來(lái)產(chǎn)生脈沖驅動(dòng)電機，同時(shí)使用通用I/O或者計數部件來(lái)實(shí)現電機的閉環(huán)位置控制。

2、使用PLC外部擴展的位置控制模塊來(lái)實(shí)現電機的閉環(huán)位置控制主要是以發(fā)高速脈沖方式控制，屬于位置控制方式，一般點(diǎn)到點(diǎn)的位置控制方式較多。